医学免疫学——抗体

《医学免疫学》人民卫生出版社 第7版 第四章 抗体，主要包含抗体的结构、抗体的多样性和免疫原性、抗体的功能、各类抗体的特性与功能等。

抗体 antibody，Ab

一、抗体的结构

抗体的基本结构

总述

由两条完全相同的重链和两条完全相同的轻链通过二硫键连接的呈Y形的单体（四肽链结构）

轻链

由2个约含有110个氨基酸、序列相似但是功能不同球形结构域（domain）组成

重链

由4～5个约含有110个氨基酸、序列相似但是功能不同球形结构域（domain）组成

VH:重链可变区、CH：重链恒定区、VL：轻链可变区、CL：轻链恒定区

分述

重链和轻链

重链（heavy chain, H）

特点

分子量约50~75kD（450~550 aa），含4~5个结构域

分类（依据重链恒定区CH抗原性的差异）5类

μ链

γ链

IgG1

IgG2

IgG3

IgG4

α链

IgA1

IgA2

链

链

不同种类抗体的特征差异

结构域的数目 （IgE，IgM：重链有5个结构域）

铰链区的长度 （IgE，IgM 没有）

二硫键的数目和位置

连接寡糖的数量

轻链 （Light chain, L）

特点

分子量比较小（25 kD），包含2个结构域

分类（依据轻链恒定区CL抗原性的差异) 2类

κ（kappa)

λ（lambda）

λ1

λ2

λ3

λ4

重要特征

天然抗体的两条轻链的型别总是相同

但是同一个体内可存在分别带有κ或λ链的抗体分子

五类抗体中每种抗体的轻链都可以有κ和λ链，两型轻链的功能无差异

不同种属体内两型轻链的比例不同

κ：λ比例的异常可能反映免疫系统的异常

可变区和恒定区

可变区(variable region, V区)

定义

抗体分子中重链和轻链靠近N端的110个氨基酸序列变化比较大，其形成的结构域称为可变区，即VH和VL

相关概念

高变区（hypervariable region，HVR）

又称：互补决定区（complementarity determining region，CDR）

高变区形成与抗原表位互补的空间构象

定义

VH和VL各有3个区域的氨基酸组成和排列顺序高度可变

特点

一般HVR3（CDR3）序列变化程度最高

主要作用

重链和轻链V区6个CDR共同组成抗体的抗原结合部位（Antigen-binding site），决定着抗体的特异性，负责识别和结合抗原，发挥免疫效应

骨架区(framework region，FR)

定义

V区中CDR之外区域的氨基酸组成和排列顺序相对变化不大，称为骨架区

VH或VL各有4个骨架区

FR1

FR2

FR3

FR4

主要作用

稳定CDR区的空间构型，以便于抗体CDR与抗原决定簇间的精细、特异性结合

恒定区(constant region, C区 )

定义

抗体分子中重链和轻链靠近C端的氨基酸组成和排列顺序比较恒定，其形成的结构域称为恒定区，即CH和CL

特点

不同类(class)的抗体的CH长度不同

IgG，IgD，IgA有3个CH结构域

3A战术是GooD的

IgE和IgM有4个CH结构域

EZ4Me

铰链区（hinge region）

位置

CH1与CH2之间（IgM和IgE无）

IgM

IgE

结构特点

富含脯氨酸，易伸展弯曲

功能

有利于Ig两臂的活动，有利于两臂同时结合两个相同的抗原表位

理化性质

易被蛋白酶（木瓜蛋白酶、胃蛋白酶等）水解

举例

不同Ab的铰链区长度不一

IgG1、IgG2、IgG4和IgA的铰链区较短

IgG3和IgD的铰链区较长

IgM和IgE无铰链区

抗体的辅助成分(附属结构）

J链（joining chain）

组成

由124个氨基酸组成，富含半胱氨酸的酸性糖蛋白

来源

浆细胞合成

分子量

15KD

功能

将单体Ab分子连接为二聚体或多聚体

举例

IgA二聚体

IgM五聚体（Me=吾=五）

5个IgM单体由二硫键相互连接，并通过二硫键与J链连接形成五聚体

IgG/IgE/IgD无J链

注意事项

J链（基因名：JCHAIN）与编码抗体的J基因并非同一个基因

分泌片（secretory piece, SP）

定义

又称分泌成分（secretory component，SC），是分泌型IgA分子上的辅助成分（非共价结合于IgA二聚体上，使其成为分泌型IgA,即SIgA），为含糖的肽链

分子量

75KD

来源

由黏膜上皮细胞合成和分泌

功能

保护SIgA的铰链区免受蛋白水解酶降解的作用

介导SIgA二聚体从黏膜下通过黏膜上皮细胞转运到黏膜表面

抗体分子的水解片段

木瓜蛋白酶(papain)的水解片段

位点

重链铰链区二硫键连接的近N端

产物

抗原结合片段(fragment antigen binding, Fab) x2

组成

VL/CL/VH/CH1

特点

只与单个抗原表位结合，为单价抗体，大小约为50kD

可结晶片段(fragment crystallizable, Fc) x1

组成

CH2/CH3

特点

无抗原结合活性

是抗体与FC受体或效应分子结合的部位

胃蛋白酶（pepsin）的水解片段

位点

重链铰链区二硫键的C端，不特异

产物

1个F(ab′)2片段

组成

2个Fab

铰链区

特点

可以同时结合两个抗原表位,为双价抗体

既保留了结合相应抗原的生物学活性，又避免了Fc段抗原性可能引起的副作用和超敏反应

应用

生物制品，如白喉抗毒素、破伤风毒素经胃蛋白水解后精制提纯的制品

一些小片段pFc′

特点

最终被降解不发挥生物学作用

免疫球蛋白超家族（immunolobulin superfamily，IgSF）

定义

除Ig外，还有大量蛋白质包含类似的免疫球蛋白折叠（immunoglobulin fold）结构域，它们共同组成免疫球蛋白超家族

结构特点

免疫球蛋白超家族分子至少包含一个70~110个氨基酸组成的Ig结构域，折叠成反平行的β片层结构，片层间呈现疏水性，通过二硫键相连，形成免疫球蛋白折叠

举例

IgSF分子分布广泛，大部分与免疫系统相关

T细胞的抗原受体

T细胞的辅助受体CD4和CD8

B细胞的辅助受体CD19

大部分免疫球蛋白Fc受体

协同刺激分子

部分细胞因子及其受体

二、抗体的多样性和免疫原性

抗体的多样性

如何证明抗体具有多样性？

不同抗原刺激B细胞所产生的抗体在特异性以及类型等方面均不尽相同

抗体为什么需要多样性？

抗体与抗原的结合特异性高，抗原表位的多样性需要多样性的抗体与之结合

抗体的多样性是如何产生的？

由免疫球蛋白基因重排决定并经抗原选择表现出来的，反映了机体对抗原精细结构的识别和应答

抗体的免疫原性

定义

抗体本身也具有免疫原性，可激发机体产生特异性免疫应答

结构和功能的基础

抗体分子中的抗原表位

依据抗原表位分类出3种血清型

同种型（isotype）

定义

同一种属不同个体的抗体分子刺激异种个体产生相同的血清型，被称为同种型

特点

恒定区共有大量相同的抗原表位，只对异种个体具有免疫原性

是同一种属所有个体Ab分子共有的抗原特异性标志，为种属型标志

存在于Ab的C区

举例

使用小鼠IgG的CH+CL作为抗原免疫山羊，从山羊中分离的抗体能够识别所有小鼠的IgG抗体的C区，其识别的即为小鼠IgG的同种型抗原表位，在Western Blot中可以用作羊抗鼠的二抗识别一抗

同种异型（allotype）

定义

同一种属中A个体的抗体能够刺激B个体产生特异性免疫应答，其血清型被称为同种异型

特点

同种异型抗原表位由抗体恒定区（C区）中少量的差异性抗原表位组成

同种异型抗原表位对异种和同种异体都具有免疫原性

举例

例如，新冠康复患者A体内分离的病毒特异性中和抗体，在注射到患者B体内，进行治疗出现排异反应，导致阻断病毒感染的效果不佳

根本原因是抗体C区基因在人群中存在不同的等位基因，产生不同的同种异型抗原表位

拓展

同种异型抗原性的差别往往只有一个或几个氨基酸残基的不同，可能是由于编码Ig的结构基因发生点突变所致，并被稳定地遗传下来，因此Ig同种异型可作为一种遗传标记（genetic markers），这种标记主要分布在CH和CL上

独特型（idiotype, Id）

定义

同一个体内不同抗体分子也具有不同的免疫原性，称为独特型

一个抗体分子可变区的全部抗原表位的特异性组合被称为独特型（idiotype）

特点

独特型是每个抗体分子所特有的抗原特异性标志

其表位被称为独特位（idiotope)

抗体的每个Fab段约有5~6个独特位,它们存在于V区

独特型在异种、同种异体甚至同一个体内均可刺激产生相应抗体，即抗独特型抗体（anti-idiotype antibody，AId或Ab2）

举例（注意区分独特型与独特位）

独特位1是Ab1上与抗原表位结合的部位，它诱导产生的Ab2又称Ab2β，为抗原“内影像”，可模拟抗原并竞争性抑制Ab与抗原的结合

独特位2存在于Ab1的骨架区（FR），它诱导产生的Ab2又称Ab2α

五、人工制备抗体

多克隆抗体(polyclonal antibody, pAb)

定义

抗原物质激活多个B细胞克隆后得到的针对不同抗原表位的抗体混合物，称多克隆抗体(polyclonal antibodies, pAb)

获得途径

主要包括动物免疫血清、恢复期患者血清以及免疫接种人群

优点

作用全面，具有中和抗原、调理作用以及ADCC等重要作用

来源广泛并且制备容易

缺点

特异性不高，容易出现交叉反应

不易大量制备

单克隆抗体（monoclonal antibody，mAb）

定义

单克隆化的杂交瘤细胞产生的仅识别一种抗原表位的特异性抗体称为单克隆抗体（monoclonal antibody，mAb），简称单抗

制备原理

B细胞能产生抗体，但不易在体外培养

骨髓瘤细胞能在体内、外无限增殖，但不能分泌抗体

两者形成的杂交瘤细胞既能大量增殖，又能合成和分泌特异性抗体

特点

结构均一、纯度高

特异性强

易于制备

制备流程

制备目标抗原免疫小鼠，刺激小鼠产生抗原特异性B细胞

分离小鼠脾细胞（含有B细胞）与HGPRT（次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶）缺陷型小鼠骨髓瘤细胞在聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）作用下进行细胞融合

加入HAT（次黄嘌呤、氨基蝶呤、胸腺嘧啶脱氧核苷）选择培养基筛选融合后的杂交瘤细胞。未融合的骨髓瘤细胞和B细胞因死亡

筛选出能特异性识别目标抗原的杂交瘤细胞克隆

大量扩增特异性的杂交瘤细胞克隆，分离细胞培养上清，纯化获得单克隆抗体

基因工程抗体(genetic engineering antibody)

定义

通过基因工程技术制备的抗体或抗体片段

针对性

既要保持mAb均一性、特异性强的优点，又要克服其为鼠源性的弊端

基因工程技术制备嵌合抗体和人源化抗体

拓展

噬菌体展示技术

酵母展示技术

临床

2002年全球第一个全人源单抗阿达木单抗(Adalimumab, Humira/修美乐) 被FDA批准上市治疗类风湿性关节炎，开启了全人源抗体先河，十年销量突破百亿美元，随后每年销量都在百亿美元之上，从2012年开始连续九年蝉联“药王”

四、各类抗体的特性与功能

IgG（主力军）

出生3个月开始合成，3~5岁达成人水平

是血清和胞外液中含量最高的Ig，占血清Ig的75%-80%

是半衰期最长的Ig，约为20-23天

是唯一可以通过胎盘的抗体，IgG1/3/4可以穿越胎盘屏障，在新生儿抗感染免疫中起到重要作用

IgG1/2/3的Fc段可以激活补体，并与巨噬细胞和NK细胞表面的Fc受体结合发挥调理作用和ADCC作用

某些自身抗体如抗甲状腺球蛋白抗体、抗核抗体，以及引起Ⅱ、Ⅲ型超敏反应的抗体也属于IgG

IgG是再次免疫应答的主要抗体，亲和力高而且分布广泛，是机体抗感染的“主力军”

人IgG1、IgG2和IgG4可以通过Fc段与葡萄球菌蛋白A（Protein A）结合，借此纯化抗体或者做诊断分析

超过2/3上市的抗体药物的生产都是使用protein A进行抗体纯化，一步纯化的抗体纯度可以达到95%以上

（先头部队）

IgM占血清免疫球蛋白总量的5%～10％，血清浓度约1-1.5 mg/ml

单体IgM以膜结合型（mIgM）表达于B细胞表面，构成B细胞抗原受体（BCR），只表达mIgM是未成熟B细胞的标志

分泌型IgM为五聚体，是分子量最大的Ig，称为巨球蛋白（macroglobulin）

一般不能通过血管壁，主要存在于血液中

五聚体IgM含10个Fab段，具有很强的抗原结合能力（五价！）；含5个Fc段，比IgG更易激活补体

IgM是个体发育过程中最早合成和分泌的抗体

在胚胎发育晚期的胎儿即能产生IgM

故脐带血某些病毒特异性IgM水平升高提示胎儿有宫内感染（如风疹病毒或巨细胞病毒等感染）

IgM也是初次体液免疫应答中最早出现的抗体，是机体特异性抗感染的“先头部队”

血清中检出病原体特异性IgM，提示新近发生感染，可用于感染的早期诊断

（边防军——SIgA）

IgA有血清型和分泌型两型。血清型为单体，主要存在于血清中，占血清免疫球蛋白总量的10%～15％

分泌型IgA（secretory IgA，SIgA）为二聚体，由J链连接，含SP，经黏膜上皮细胞分泌至外分泌液中（注意与血清Ig的缩写区分）

SIgA电镜观察结果

SIgA合成和分泌的部位在肠道、呼吸道、乳腺、唾液腺和泪腺，SIgA是外分泌液中的主要抗体类别，参与黏膜局部免疫，通过与相应病原微生物（细菌、病毒等）结合，阻止病原体黏附到细胞表面，从而在局部抗感染中发挥重要作用，是机体抗感染的“边防军”。SIgA在黏膜表面也有中和毒素的作用

新生儿易患呼吸道、胃肠道感染可能与IgA合成不足有关

婴儿可从母亲初乳中获得SIgA，是重要的自然被动免疫

正常人血清IgD浓度很低（约0.03 mg/ml），仅占血清Ig总量的0.3%

IgD可在个体发育的任何时间产生

五类Ig中，IgD的铰链区较长，易被蛋白酶水解→其半寿期很短（仅3天）

IgD分为血清型和膜结合型

血清型

生理功能尚不明确

膜结合型

膜结合型IgD（mIgD）是B细胞分化发育成熟的标志

未成熟B细胞仅表达mIgM

成熟B细胞可同时表达mIgM和mIgD，称为初始B细胞（naïve B cell）

B细胞被抗原活化后其表面的mIgD逐渐消失

IgE分子量为160kD，是正常人血清中含量最少的Ig，血清浓度极低，约为0.0003 mg/ml

主要由黏膜下淋巴组织中的浆细胞分泌

是一类亲细胞抗体

其CH2和CH3结构域可与肥大细胞、嗜碱性粒细胞上的高亲和力FcεRⅠ结合，当结合再次进入机体的抗原后可引起Ⅰ型超敏反应

可以参与机体抗寄生虫免疫

通过活化肥大细胞、嗜酸性、嗜碱性粒细胞释放毒性物质毒杀寄生虫

三、抗体的功能

抗体V区的功能

识别并特异性结合抗原

CDR起决定性作用

结合病原微生物及其产物，起到中和毒素、阻断病原入侵等功能

相关概念

抗原结合价

Ig结合抗原表位的个数

举例

单体Ab

2价

SIgA

4价

五聚体IgM

理论上为10价，但由于空间位阻，实际为5价

抗体C区的功能

激活补体

抗体与相应抗原结合后，抗体构象改变暴露CH2和CH3中的补体结合点激活补体经典途径

抗体特异性

IgM、IgG1和IgG3激活补体能力较强

IgG2能力较弱

IgA、IgE和IgG4本身难以激活补体，需要形成聚合物通过旁路途径激活补体系统

结合Fc受体

通过其Fc段与表面具有相应Fc受体（FcR)的细胞结合，产生不同的生物学效应

调理作用（opsonization）

定义

细菌特异性IgG（IgG1&IgG3）：Fab结合细菌抗原表位，Fc结合巨噬细胞或中性粒细胞FcγR，通过IgG的“桥联”作用促进吞噬细胞对细菌的吞噬

相关概念

调理素（opsonin）

是通过标记免疫应答抗原或标记死细胞用于再循环来增强吞噬作用的任何分子

举例

抗体

补体

外周血循环蛋白

调理作用（opsonization）

是一种分子机制，通过化学修饰分子，微生物或凋亡细胞与吞噬细胞上的细胞表面受体发生更强的相互作用 。包被在调理素中的抗原，与免疫细胞的结合大大增强

抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用（antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity,ADCC)

定义

是指靶细胞膜表面抗原结合特异性的抗体，激活免疫效应细胞裂解靶细胞的作用，是一种细胞介导的免疫防御机制。

特点

是适应性免疫反应的一部分，也是体液免疫反应的一部分

抗体与靶细胞上的抗原结合是特异性的，而表达FcR细胞的杀伤作用是非特异性的

相关免疫效应细胞

自然杀伤（NK）细胞

介导ADCC的主要细胞

巨噬细胞

中性粒细胞

嗜酸性粒细胞

介导Ⅰ型超敏反应

相关概念

Ⅰ型超敏反应

定义

又称过敏性反应（anaphylaxis）或速发型超敏反应（immediate hypersensitivity）

特点

反应迅速，消退也快

有明显的个体差异和遗传倾向

一般仅造成生理功能紊乱而无严重的组织损伤

IgE介导，肥大细胞、嗜碱性粒细胞、嗜酸性粒细胞等释放生物活性物质

组胺

5－羟色胺

慢反应物质-A(SPS-A)

举例

过敏性休克

药物引起的药疹

食物引起的过敏性胃肠炎

花粉或尘埃引起的过敏性鼻炎、支气管哮喘等

结构基础

IgE为亲细胞抗体，其Fc与肥大细胞和嗜碱性粒细胞表面的高亲和力IgE FcR结合，使其致敏

意义

相同变应原（过敏原）再次结合致敏靶细胞表面IgE，引发I型超敏反应

穿过胎盘和黏膜

穿过胎盘

结构基础

人类中IgG是唯一能通过胎盘的免疫球蛋白

子主题胎盘母体一侧的滋养层细胞表达一种IgG输送蛋白，即neonatal FcR，FcRn——新生Fc段受体

作用机理

IgG选择性与FcRn结合，从而转移到滋养层细胞内，并主动进入胎儿血液循环中

意义

是重要的自然被动免疫机制，对新生儿抗感染具有重要意义

穿过黏膜

结构基础

SIgA（IgA二聚体+分泌片）

黏膜上皮细胞表达的多聚免疫球蛋白受体（poly-Ig receptor，pIgR）

作用机理

SIgA与多聚免疫球蛋白受体(pIgR)结合后，IgA-pIgR复合物被内吞进入肠上皮细胞，再通过酶和胞吐作用将SIgA转运到肠腔

SIgA的分泌片（SP)

即PIgR胞外段的4个结构域

基本概念

抗体 (Antibody, Ab)

是介导体液免疫的重要效应分子，是免疫系统在抗原的刺激下由B细胞或者记忆B细胞增殖分化成的浆细胞产生的免疫球蛋白，可以与相应的抗原发生特异性结合，主要分布在血清中，也分布于组织液、外分泌液及某些细胞膜表面。

免疫球蛋白 (Immunoglobulin, Ig)

定义

具有抗体活性或者化学结构与抗体相似的球蛋白

分类

分泌型免疫球蛋白（secreted Ig, sIg）

即抗体

膜型免疫球蛋白（membrane Ig, mIg)

表达于B细胞膜表面，即B细胞的抗原识别受体（BCR）

球蛋白≠免疫球蛋白

球蛋白

正常血清蛋白

血浆蛋白：70~75 g/L ①白蛋白：38~48 g/L ②球蛋白：15~30 g/L γ球蛋白：12~17 g/L ③纤维蛋白原：2~4 g/L

应用

多发性骨髓瘤， γ球蛋白增多

肝炎：白蛋白、α及β-球蛋白减少，γ-球蛋白增高

α1球蛋白

α2球蛋白

β球蛋白

γ球蛋白

IgG，IgA，IgM，IgD，IgE （即，抗体，免疫球蛋白）

结构域（功能区）

二级结构

“β桶状”

由几股多肽链折叠形成的两个反向平行的β片层经一个链内二硫键连接成稳定的β桶状结构